CN2498770Y - 一种飞秒激光多通预放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种脉冲激光放大器,主要由两对曲率半径不同的共焦凹面镜、一块置于共焦点上的激光放大介质、两块宽带45度全反镜及两块聚焦透镜组成。因凹面镜曲率半径不同,每聚焦放大一程后,经凹面镜准直后的光束直径都减小,再次聚焦在放大介质中的光斑直径将增大,从而实现了高放大效率。本实用新型可实现高能量输出、极短脉宽放大,成本低,调节方便。
Description
本实用新型涉及激光技术领域，特别是涉及一种脉冲激光放大器。
用于产生超强超短激光脉冲的啁啾脉冲放大技术是目前最具创新发现能力及生长新学科的研究工具之一，自从1985年D.Strickland和G.Mourou提出这一放大思想以来(文献1，D.Strickland，G.Mourou，Opt.Commun；Vol.56，219(1985))，人们在普通光学平台上所能实现的激光峰值功率在短短数年里提高了7个量级，并在几个实验室里得到了峰值功率大于100TW(太瓦，1TW＝1012W)、甚至高达1.5PW的结果(文献2，K.Yamakawa，et al；Opt Lett.，Vol.23，1468(1998)，文献3，M.D.Perry et al；Opt Lett.，Vol.24，160(1999))。通常，典型的啁啾脉冲放大CPA(Chirped-Pulse Amplification的缩写)主要由振荡器(Oscillator)、脉冲展宽器(Stretcher)、放大器(Amplifier)和再压缩器(Compressor)四部分组成。其基本的工作过程是：首先由振荡器产生飞秒(即fs，1fs＝10-15秒)量级脉宽的种子激光脉冲01，然后利用具有正色散的展宽器将其展宽为数百皮秒(即ps，1ps＝10-12秒)的啁啾脉冲02，同时维持其光谱宽度不变，再次经过必要的放大产生能量大大提高了的放大脉冲03，最后利用与展宽器色散相反量的压缩器将其啁啾抵消，从而得到与种子脉宽相近的放大结果04。由此可以看出，放大器作为其中的核心部分，对于最后获得高峰值功率的结果，具有关键的作用。
早期的飞秒放大***及目前用于超快现象研究的器件一般都采用一级放大形式。近年来为了追求极高的峰值功率，除一级放大，即预放大之外，人们还常常需要进一步采用多级放大。但无论哪种方案，预放大器作为整体放大***中必不可少及增益最高的部分(通常增益为106～107左右)，其效率的高低对于超快应用研究及进一步通过多级放大(通常每级的增益为10左右)获得理想的输出能量具有重要的意义和作用。迄今预放大器采用的方案有再生放大和多通放大两种方式，其中再生预放大作为最早采用的放大手段(文献4，F.Salinet al；Opt Commun.，Vol.84，67(1991)，文献5，S.Takeuchi，T.Kobayashi；Opt Comm，Vol.109，518(1994))具有效率高、调节容易、输出光束质量好等优点，但由于这种方案存在着增益窄化效应及材料色散，因此难以获得极短的压缩结果。近年来随着对放大脉冲宽度不断窄化的要求，人们开始普遍采用具有材料色散小、光谱窄化效应弱的多通预放大方案(文献6，J.Zhou et al；Opt Lett.，Vol.20，66(1995)，文献7，S.Sartania et al；.Opt Lett.，Vol.22，1562(1997)，文献8，Y.H.Cha etal；J.Opt.Soc.Am.B，Vol.16，1220(1999))。但一个普遍的问题是这种方案的放大效率较再生放大低，而且由于采用的是对称的球面反射镜，因此经一个周期的放大后，光将与放大前的光路在空间上自洽重合而无法进行进一步的放大，为此通常不得不采用平面45度反射镜以使放大光在横向分开，增加了***的损耗和复杂性。另外，现行多通放大中普遍采用两个球面镜构成放大光路，因此除尺寸必须大(直径往往要求大于10cm)以外、中间还必须开孔或镀双色膜以透射泵浦激光，不仅加工难度大、成本高，而且由于调节自由度小，实际操作也比较困难，考虑到加工中不可避免的误差及光学像差，在放大效率上还存在着局限性。
本实用新型的目的是针对目前飞秒激光放大研究中，多通预放大效率低、调节困难的缺点，提供一种由两对不同曲率半径的共焦球面反射镜及置于共焦点上的激光放大介质组成的飞秒啁啾脉冲多通预放大器。本实用新型成本低、调节方便、放大效率高，可实现高输出能量、极短脉宽的放大结果。
本实用新型的目的是这样实现的：
本实用新型主要由两对曲率半径不同的共焦凹面镜、一块激光放大介质、两块宽带45度全反镜及泵浦光聚焦和反射***组成。
如图2所示，激光放大增益介质09选掺钛蓝宝石激光晶体，尺寸为5×5×9mm，可在水平面内呈布氏角切割或垂直切割，将其置于可调节俯仰及旋转角度的调节架及平移台上。10、11为曲率相同的一对凹面全反镜，12、13为曲率半径相同、但与10、11略有不同的另一对凹面全反镜。将全反镜10、11分别置于两维可调的微调架及平移导轨上，它们的口径为φ25～35mm，中心距为70mm，厚度为5mm，材料为K9玻璃，距激光晶体中心的距离为520mm，它们的反射面镀有700～900nm波段的宽带全反膜。将全反镜12、13分别置于两维可调的微调架上，其反射面镀有700～900nm波段的宽带全反膜，口径为φ25～35mm，中心距为70mm，厚度为5mm，材料为K9玻璃，距激光晶体的中心距离为465mm；它们与10、11的曲率半径之比为0.8～0.9∶1，相互距离为两曲率半径之和的一半。14、15为对泵浦光45度全反的平面镜。将尺寸20×5mm，厚度2mm的长条形宽带平面镜14固定于两维可调的小微调架及可横向移动的导轨上，其材料为K9玻璃。将尺寸20×20mm，厚度5mm的方形宽带平面镜15置于两维可调的微调架上，其材料为K9玻璃。16、19为对放大激光45度全反的平面镜。将口径φ25.4mm的圆形平面镜16置于两维可调的微调架上，材料选K9玻璃。平面镜19焦距为1000～1200mm，口径为φ25.4mm，材料为K9玻璃，距激光晶体09中心的距离为700mm，根据需要可选择双向泵浦或单向泵浦。17、18为长焦距聚焦透镜，泵浦激光经45度全反镜及聚焦透镜耦合进激光放大增益介质09，为了防止晶体的损坏，需要根据所用激光放大增益介质的破坏阈值而选择透镜17和18的焦距及到激光放大增益介质09的距离，以保证入射到晶体中的泵浦光斑在一定要求的范围内，既有足够的泵浦密度并实现与放大光的最佳模式匹配，但又不损坏晶体，即焦点落在放大介质之后。
具体的放大过程是：泵浦光24、23分别经透镜18、17聚焦入射到反射镜19、16上，反射光入射到激光介质09上，激光介质吸收泵浦光达到放大状态；首先待放大的种子激光20入射到凹面反射镜15上，并由其反射聚焦经凹面全反镜11反射后入射到放大晶体09中，经过一次放大后而入射到凹面镜12上，由于凹面镜12的曲率半径是凹面镜11曲率半径的0.8～0.9倍且两者之间呈共焦结构，因此经凹面镜12反射后的单程放大光将是直径减小到0.8～0.9倍的准直光，并可以通过调节凹面镜12使准直光与镜片15反射后到达凹面全反镜11的光路平行地入射到凹面全反镜10上，调节10使激光再次聚焦到激光放大增益介质09进行第二次放大。与第一次放大相比，由于放大前的光束直径减小了0.8～0.9倍，因此二次放大在晶体中的聚焦光斑将增加到1.1～1.25平方倍。同样的原理，双程放大后的激光经凹面镜13反射后将是直径再次减小0.8～0.9倍的准直光并同样可以通过调节凹面镜13，使反射光再次平行地入射到凹面镜11，从而形成一个放大周期。与放大前相比，不难看出不仅光束的直径压缩为放大前的0.8～0.9的平方倍，而且光束在空间上自动分开并向晶体靠拢，这样在进行新一周期的二次放大中，光将重复上一周期的传输过程，由于光束直径的不断压缩，每次在晶体中的聚焦光斑以曲率半径反比的平方倍率不断扩大，从而相对减缓了能量密度的快速增长及由此导致的增益饱和效应，有利于放大效率的提高，图2中画出的只是两个周期、四通放大的情形，最后放大的平行准直光经一小镜片14反射出预放大***，同样地，如果要进一步实现6通、8通、甚至更多的放大程数，只需平行于种子激光20、沿激光放大增益介质方向移动小镜片14即可。
本实用新型由于采用曲率半径略不相同的两组球面镜，因此每程放大后的光在空间上将逐次自然分开，避免了现有方案中光路重合的问题。本实用新型中聚焦在放大增益介质中的放大光的光斑尺寸逐程增加，从而减弱了能量密度的快速提高，抑制了介质的增益饱和效率，为高效率放大提供了可能。本实用新型采用一对球面镜代替单个球面镜，从而大大减小了对镜片尺寸的要求、并避免了镀双色膜或开孔的技术问题，成本低，调节方便。
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的说明：
图1为啁啾脉冲放大的一般原理图，
图2为本实用新型实现方法的原理图，
图3为本实用新型的实施方案之一，
图4为本实用新型八通放大中一端镜片上实际光斑的示意图。
实施例1：
如图3所示，各元件的具体参数及安装要求如下：
09为激光放大增益介质，采用5×5×9mm的掺钛蓝宝石激光晶体，在水平面内呈布氏角切割，置于可调节俯仰及旋转角度的调节架及平移台上。10、11为曲率半径1039mm的球面反射镜，反射面镀有700～900nm波段的宽带0度全反膜，材料为口径φ30mm、厚度5mm的K9玻璃，中心距为70mm。分别置于两维可调的微调架及平移导轨上，与掺钛蓝宝石晶体中心的距离约为520mm。12、13为曲率半径931mm的球面反射镜，与10、11的曲率半径之比约为0.9∶1，反射面镀有700～900nm波段的宽带0度全反膜，口径为φ30mm，中心距为70mm，厚度为5mm，材料为K9玻璃，分别置于两维可调的微调架上，与掺钛蓝宝石晶体中心的距离为465mm。14为45度入射角下对700～900nm全反的长条形宽带平面镜，尺寸为20×5mm，厚度2mm，材料为K9玻璃，固定于两维可调的小微调架及可横向移动的导轨上。15为45度入射角下对700～900nm全反的方形宽带平面镜，尺寸为20×20mm，厚度5mm，材料为K9玻璃，置于两维可调的微调架上。16为45度入射角下对532nm全反的圆形平面镜，口径为φ25.4mm，材料选K9玻璃，置于两维可调的微调架上。17为镀有对532nm全反的聚集透镜，焦距为1200mm，口径为φ25.4mm，材料选K9玻璃，距激光晶体中心的距离为700mm。
具体的放大过程是：首先待放大的种子激光20经镜片15反射后经凹面反射镜11反射聚焦到放大晶体09中，在聚集泵浦激光23的作用下，激光经历一次放大而入射到凹面镜12上，由于凹面镜12的曲率半径小于凹面镜11，因此经凹面镜12反射后的单程放大光束24将是直径减小了0.9倍的准直光，并可以通过调节凹面镜12使光束24与光束21平行地入射到凹面全反镜10上，调节凹面镜10使激光再次反射聚焦到晶体09进行第二次放大。与第一次放大相比，由于放大前的光束直径减小了0.9倍，因此二次放大在晶体中的聚焦光斑将增加0.9的平方倍，并同样经凹面镜13反射后而成为直径再次减小0.9倍的准直光束25并同样通过调节凹面镜13与光束21平行地入射到凹面镜11上，并在镜面上与光束21自动分开，形成一个放大周期。类似地，经凹面镜11反射后光在晶体中的聚集光斑将再次增大0.9倍而获得第三次放大，如果两组镜间的共焦通过平移台调得足够精确，那么经凹面镜12反射后将自动成为与光束24平行但直径减小了0.9倍的准直光束26，如此不断地放大下去，每放大一程，准直光束直径减小0.9倍，晶体中聚集的光斑直径增大0.9的平方倍。放大光束依次经过光路27、28、29、30，最后经8通后成光束31而由长条镜14反射出***，从而完成预放大过程。
采用能量35mJ、脉宽7ns、重复率10Hz的倍频Nd：YAG激光作泵浦，入射种子光20的单脉冲能量约2nJ，8通放大后得到了脉冲能量达8mJ的最高输出，对应的放大效率约为23％，增益达4×106。这一结果不仅远高于目前所见报导的多通放大结果(文献6～8)，而且也接近再生放大的最好水平(文献5)，证实了本实用新型的有效性。
Claims (2)
1、一种飞秒激光多通预放大器，其特征在于：由激光放大增益介质(09)，两对曲率半径不同的共焦凹面全反镜(10)、(11)及(12)、(13)，两个对泵浦光45度全反的平面镜(14)、(15)，两块长焦距聚焦透镜(17)、(18)，两块对放大激光45度全反的平面镜(16)、(19)组成；
将激光放大增益介质(09)置于可调节俯仰及旋转角度的调节架及平移台上；(10)、(11)为曲率相同的一对凹面全反镜，(12)、(13)为曲率半径相同、但与(10)、(11)略有不同的另一对凹面全反镜；将全反镜(10)、(11)分别置于两维可调的微调架及平移导轨上；将全反镜(12)、(13)分别置于两维可调的微调架上，它们与(10)、(11)的曲率半径之比为0.8～0.9∶1，相互距离为两曲率半径之和的一半；将长条形宽带平面镜(14)固定于两维可调的小微调架及可横向移动的导轨上；将方形宽带平面镜(15)置于两维可调的微调架上；将圆形平面镜(16)置于两维可调的微调架上；平面镜(19)距激光晶体(09)中心的距离为700mm，根据需要可选择双向泵浦或单向泵浦；据所用激光放大增益介质的破坏阈值选择透镜(17)和(18)的焦距及到激光放大增益介质(09)的距离，以保证焦点落在放大介质(09)之后；
具体的放大过程是：泵浦光(24)、(23)分别经透镜(18)、(17)聚焦入射到反射镜(19)、(16)上，反射光入射到激光介质(9)上，激光介质吸收泵浦光达到放大状态；首先种子激光(20)入射到凹面反射镜(15)上，并由其反射聚焦经凹面全反镜(11)反射后入射到放大晶体(09)中，经过一次放大后入射到凹面镜(12)上，调节凹面镜(12)使准直光与平面镜(15)反射后到达凹面全反镜(11)的光路平行地入射到凹面全反镜(10)上，调节(10)使激光再次聚焦到激光放大增益介质(09)进行第二次放大；双程放大后，同样通过调节凹面镜(13)，使反射光再次平行地入射到凹面镜(11)而形成一个放大周期；按上述放大过程再进行一个放大周期，最后放大的平行准直光经一小平面镜(14)反射出预放大***。
2、按权利要求1所述的飞秒激光多通预放大器，其特征在于：要进一步实现6通、8通甚至更多的放大程数，只需平行于种子激光(20)、沿激光放大增益介质(09)方向移动小平面镜(14)即可。
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